Phần mở đầu
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích mô phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả
Dựa trên kết quả và thất bại từ các thí nghiệm, chúng tôi đã lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp và tối ưu hóa quy trình thu thập dữ liệu Quy trình thí nghiệm này được áp dụng cho các thiết kế cuộn dây khác nhau, bao gồm cả thiết kế 2D và 3D.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu về những vấn đề của hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn trong thiết bị hàn orbital.
Nội dung báo cáo
Cơ sở lý thuyết
Hệ thống hàn này có thể sử dụng toàn cầu nhờ tính năng hỗ trợ đa ngôn ngữ và tự động điều chỉnh điện áp đầu vào theo từng quốc gia Máy hàn Orbital, với những tiến bộ kỹ thuật, tạo ra mối hàn đồng nhất và chất lượng cao, mang lại hiệu quả tối ưu cho doanh nghiệp và sự tiện lợi cho người sử dụng.
Chương II: Cơ sở lý thuyết
2.1 Hàn TIG(Tungsten Inert Gas)
Hàn TIG (Tungsten Inert Gas) là phương pháp hàn sử dụng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, như khí trơ Argon (Ar), Helium (He) hoặc hỗn hợp của chúng Quá trình này giúp hạn chế tác động tiêu cực của oxy và nitơ trong không khí, đồng thời ổn định hồ quang hàn, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng hàn.
Tấm lót Điện cực tungsten
Dây dẫn điện Ống dẫn khí
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý hàn
Hồ quang trong hàn TIG có nhiệt độ cực cao, lên đến hơn 6100 oC, cho phép tạo ra mối hàn từ kim loại cơ bản khi hàn các chi tiết mỏng với liên kết gấp mép, hoặc sử dụng que hàn phụ Phương pháp hàn này thường được thực hiện bằng tay, nhưng cũng có thể tự động hóa trong hai khâu di chuyển hồ quang và cấp dây hàn phụ.
- Đặc điểm và công dụng
1 Điện cực không nóng chảy
2 Không tạo xỉ hàn do không có thuốc hàn
3 Hồ quang, vũng chảy quan sát và kiểm soát dễ dàng
4 Nguồn nhiệt tập trung và có nhiệt độ cao
1 Có thể hàn được kim loại mỏng hoặc dày do thông số hàn có phạm vi điều chỉnh rộng (từ vài Ampe đến vài trăm Ampe)
2 Hàn được hầu hết các kim loại và hợp kim với chất lượng cao
3 Mối hàn sạch đẹp, không lẫn xỉ và văng tóe
4 Kiểm soát được độ ngấu và hình dạng vũng hàn dễ dàng
2 Đòi hỏi thợ có tay nghề cao
3 Giá thành tương đối cao do năng suất thấp
1 Là phương pháp hiệu quả khi hàn nhôm, inox và hợp kim nikel
2 Thường dùng hàn lớp ngấu trong qui trình hàn ống chịu áp lực
3 Hàn các kim loại, hợp kim khó hàn như titan, đồng đỏ
Thiết bị cơ bản của hàn TIG bao gồm: nguồn điện hàn cung cấp cả điện AC và DC, mỏ hàn với điện cực wolfram được làm mát bằng nước hoặc khí, nguồn cung cấp khí trơ và các bộ điều khiển.
Hình 10: sơ đồ thiết bị máy hàn tig
- Sơ đồ hệ thống hàn TIG
Bộ tạo tần số cao (HF) là thành phần quan trọng nhất trong thiết bị hàn TIG, tạo ra điện áp cao để tác động lên dòng điện hàn Nhờ vào quá trình ion hóa khí bảo vệ như Ar, He hoặc hỗn hợp Ar-He, một đường dẫn được hình thành giữa chi tiết gia công và điện cực Wolfram Điều này cho phép hồ quang xuất hiện mà không cần tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực và chi tiết hàn Tuy nhiên, cần tránh việc chạm điện cực Wolfram vào chi tiết hàn để ngăn chặn ô nhiễm và mòn đầu điện cực, vì điều này có thể dẫn đến sự lẫn tạp chất vào mối hàn, làm giảm chất lượng kim loại mối hàn.
Khi hàn TIG bằng dòng điện một chiều, hồ quang có thể ổn định mà không cần chồng chập HF Ngược lại, khi hàn TIG bằng dòng điện xoay chiều, việc chồng chập HF liên tục là cần thiết để cải thiện tính ổn định của hồ quang.
Tungsten (Wolfram) được ưa chuộng làm điện cực nhờ vào khả năng chịu nhiệt tốt và điểm nóng chảy cao lên tới 3410 độ C Chất liệu này có khả năng phát xạ điện tử hiệu quả, giúp ion hóa hồ quang và duy trì sự ổn định của hồ quang Hơn nữa, tungsten còn có tính oxy hóa rất cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Tungsten nguyên chất (EWP) có chứa 99,5% tungsten nguyên chất, giá thành hợp lý nhưng lại có mật độ dòng cho phép thấp và khả năng chống nhiễm bẩn không cao Loại tungsten này thường được sử dụng trong hàn với dòng xoay chiều.
AC, áp dụng khi hàn nhôm hoặc hợp kim nhẹ
Tungsten Thorium (EWTh) là loại điện cực có khả năng bức xạ electron cao, giúp tăng cường dòng hàn và nâng cao tuổi thọ sử dụng Khi sử dụng điện cực này, hồ quang dễ dàng được khởi động và duy trì ổn định, đồng thời có tính năng chống nhiễm bẩn tốt EWTh thích hợp cho việc hàn thép và inox khi sử dụng với dòng điện một chiều.
Tungsten Zirconium (EWZr) có đặc tính hồ quang ổn định và mật độ dòng hàn trung bình, nằm giữa tungsten nguyên chất và tungsten thorium, rất phù hợp cho việc hàn nhôm khi sử dụng nguồn AC.
+ Tungsten Cerium (EWCe): Nó không có tính phóng xạ, hồ quang dễ mồi và ổn định, có tuổi bền cao hơn, dùng tốt với AC hoặc DC
+ Tungsten Lathanum (EWLa): Có tính năng tương tự tungsten cerium
Các điện cực tungsten thường được cung cấp với đường kính 0,25 đến 6,35mm, dài từ 70 đến 610mm, có bề mặt đã được làm sạch hoặc được mài
Bảng 1: phân loại và thành phần điện cực Tungsten theo tiêu chuẩn AWS
W(min)% CeO2% La2O3% ThO% ZrO2% Tạp chất
Bảng 2: bảng mã màu điện cực tungsten
EWP Xanh lá cây (Green) EWCe-2 Da cam (Orange) EWLa-1 Đen (Black) EwlA-1.5 Vàng (Gold) EwLa-2 Xanh lam (Blue) EwTh-1 Vàng (Yellow) EWTh-2 Đỏ (Red) EWZr-1 Nâu (Brown)
21 o Một số yêu cầu khi sử dụng điện cực W
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần lựa chọn dòng điện phù hợp với kích cỡ dòng điện sử dụng Dòng điện quá cao có thể gây hỏng hóc cho điện cực, trong khi dòng điện quá thấp sẽ dẫn đến hiện tượng ăn mòn, nhiệt độ không ổn định và hồ quang kém hiệu quả.
- Đầu điện cực phải được mài hợp lý theo các hướng dẫn kèm theo điện cực
- Điện cực phải được sử dụng và bảo quản cẩn thận, tránh nhiễm bẩn
- Dòng khí bảo vệ phải được duy trì không chỉ trước và trong khi hàn mà cả sau khi ngắt hồ quang cho đến khi điện cực nguội
Phần nhô điện cực bên ngoài mỏ hàn cần được giữ ở độ dài ngắn nhất, tùy thuộc vào ứng dụng và thiết bị, nhằm đảm bảo được sự bảo vệ hiệu quả bằng dòng khí trơ.
- Cần tránh sự nhiễm bẩn điện cực, sự tiếp xúc giữa điện cực nóng với kim loại mối hàn
Bảng 3: chọn dòng điện ứng với kích thước điện cực
Để đảm bảo hiệu quả trong quá trình hàn, thiết bị chụp khí cần được bảo vệ và làm sạch thường xuyên Đầu chụp khí bẩn có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến khí bảo vệ, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng hồ quang hàn.
2.2 Tổ chức kim loại vùng cận mối hàn
- Khi hàn, dưới tác dụng của nguồn nhiệt, kim loại nóng chảy tạo nên vũng hàn
- Trong quá trình kim loại nóng chảy , các khí xung quanh nguồn nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến quá trình luyện kim và hình thành mối hàn ( O2,H2,CO2,…_
- Nhiệt độ cơ hản vũng hàn trung bình từ 1700-18000C
Quá trình hóa lỏng kim loại tại vũng hàn chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, bao gồm loại khí bảo vệ, chế độ hàn, cực nguồn điện, dòng điện hàn, vận tốc hàn, lượng khí tiêu hao, góc hàn và chiều dài hồ quang Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng và hiệu suất của mối hàn.
Vùng quá nhiệt Vùng thường hóa
Vùng chảy không hoàn toàn
Vùng kết tinh lại không hoàn toàn
Vùng kết tinh lại hoàn toàn
Hình 11: tổ chức kim loại tại vùng cận mối hàn
Vùng kim loại lân cận vật hàn bị ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn gây thay đổi tổ chức và tính chất
Nguyên lý tạo ra phương pháp hàn:
Hàn được hình thành từ 2 nguyên lý dùng nhiệt và dùng áp lực
Dùng nhiệt ( Hàn nóng chảy ) :
Một số phương pháp hàn dùng nhiệt tiêu biểu bao gồm hàn laser, hàn hồ quang plasma, hàn chùm tia điện tử, hàn hồ quang điện, hàn xỉ điện, hàn khí, hàn nhiệt nhôm, hàn hồ quang tay, hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc, cùng với hàn hồ quang trong môi trường có khí bảo vệ và hàn hồ quang điện cực không nóng chảy Ngoài ra, các biện pháp công nghệ như sử dụng thuốc bảo vệ, khí bảo vệ và hàn trong chân không cũng đóng vai trò quan trọng trong quy trình hàn.
Dùng áp lực ( Hàn áp lực ) :
- Hàn dưới tác động của nguồn nhiệt và áp lực làm cho kim loại cơ bản bị nóng chảy và hình thành mối hàn
- Một số phương pháp kim loại chỉ đạt đến trạng thái dẻo ( như hàn tiếp xúc điện trở )
Tính toán và thiết hệ thống bảo vệ điện cực hàn và vũng hàn thiết bị hàn orbital
Hình 12: chai đựng khí trơ
Chương III: Tính toán thiết kế hệ thống bảo vệ điện cực hàn và vũng hàn thiết bị hàn orbital
3.1 Thiết lập sơ đồ cấu tạo hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn
Hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn là giải pháp hiệu quả để bảo vệ và làm mát vị trí mối hàn ống y sinh trong thiết bị hàn orbital Hệ thống này không chỉ giúp bảo vệ mối hàn khỏi các tác động môi trường mà còn đảm bảo mối hàn ống sạch sẽ và đạt tiêu chuẩn chất lượng trong các ngành y tế và thực phẩm.
Hệ thống hoạt động bằng cách dẫn khí từ chai khí theo hai hướng: một hướng đi qua máy hàn vào đầu hàn, trong khi dây dẫn vào đầu hàn cung cấp điện để tạo ra hồ quang điện Hướng còn lại xả khí trực tiếp vào ống inox, giúp bảo vệ và làm mát mối hàn từ bên trong.
Bộ xả khí vào ống
Hình 13 : sơ đồ cấu tạo hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn
3.2 Tính toán lưu lượng khí và thời gian xả khí vào ống
Tính toán lưu lượng khí
Trong đó: Qrr: Lưu lượng khí nén rò rỉ (dm 3 /s)
S : Tiết diện khe hở rò rỉ (dm 2 ) S = (πD^2)/4 -
D là đường kính tương đương khe hở rò rỉ (dm)
Căn bậc hai của độ chênh áp khí nén trong đường ống và môi trường được tính bằng công thức SQRT(DP), với áp suất đo bằng đơn vị Pascal Hệ số rò rỉ khí nén theo đo lường là 1,34.
Ta cũng có bảng tra lưu lượng rò rỉ khí nén:
Tính toán thời gian xả khí vào ống
Lưu lượng khí: 15 lít/phút
Chiều dài ống L : 300mm Đường kính ngoài D : 76mm Đường kính trong d : 72mm
Thể tích ống V = πr 2 × L = 1.3 dm 3 = 1,3 lít
Thời gian xả khí vào ống : 1,3×60
3.3 Thiết kế hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn
3.3.1 Cụm chi tiết hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn trong thiết bị hàn orbital
Hình 14: Mô hình bên ngoài của cụm chi tiết cấp khí bảo vệ
Hình 15: vị trí hệ thống cấp khí bên trong đầu hàn Đầu nối dây khí từ chai khí.
Kết nối dây khí với ống khí. Ống dẫn khí vào vũng hàn đồng thời dẫn điện.
Chi tiết tiếp xúc với ống khí dẫn điện
Chi tiết tiếp xúc với bánh răng chữ C, gây hồ quang.
Hình 16: các chi tiết của hệ thống cấp khí
Ngoài việc bảo vệ điện cực và vũng hàn, chi tiết này còn có vai trò dẫn điện, giúp tạo ra hồ quang điện cực tungsten trong quá trình hàn orbital.
3.3.2 Thiết kế các chi tiết trong cụm chi tiết
Đầu nối dây khí là thiết bị quan trọng trong hệ thống hàn, có một đầu kết nối với dây hơi từ máy hàn và đầu còn lại được thiết kế với ren để vặn nối dây dẫn khí vào đầu hàn, đảm bảo quá trình hàn diễn ra hiệu quả.
Hình 17: kích thước đầu nối dây khí
- Chi tiết kết nối dây khí với đầu hàn
Chi tiết này có lỗ ren dùng để nối với đầu nối dây khí
Hình 18: kích thước chi tiết kết nối dây khí với đầu hàn
Ống dẫn khí vào vũng hàn có vai trò quan trọng trong việc dẫn khí bảo vệ, giúp làm mát diện cực và vũng hàn, đồng thời bảo vệ vũng hàn khỏi ảnh hưởng từ môi trường Ngoài ra, ống còn có khả năng dẫn điện từ máy hàn qua các chi tiết dẫn điện, tạo ra hồ quang ở điện cực.
- Chi tiết tiếp xúc với ống khí dẫn điện
Chi tiết này tiếp xúc với ống dẫn khí truyền dẫn điện đến điện cực
Hình 20: Chi tiết tiếp xúc với ống khí dẫn điện
- Chi tiết tiếp xúc với bánh rắng chữ C
Chi tiết này tiếp xúc trực tiếp với bánh răng chữ C dẫn điện qua bánh răng chữ C tới điện cực
Hình 21: chi tiết tiếp xúc với bánh răng chữ C
- Các chi tiết trên được làm từ vật liệu đồng có độ dẻo cao và tính dẫn điện tốt
3.3.3 Bộ xả khí bảo vệ vào trong ống
Hệ thống xả khí bảo vệ của thiết bị hàn orbital giúp bảo vệ vũng hàn bên ngoài ống, nhưng đối với ống thực phẩm, mối hàn cần phải sạch cả bên ngoài lẫn bên trong Do đó, cần thiết kế bộ đưa khí vào bên trong ống để đảm bảo chất lượng mối hàn.
- 2 cục bịt đầu ống sử dụng nhưa Pe:
2 cục bịt đầu ống có tác dụng chủ yếu để bịt 2 đầu ống ngăn khí bảo vệ thoát ra ngoài giúp bảo vệ mối hàn từ bên trong ống
Hình 22: cục bịt đầu ống có lỗ ren nối với dây khí
Hình 23: cục bịt đầu ống
- Nối dây từ chai khí qua cục bịt đầu ống sử dụng van đồng khóa và xả khí bảo vệ Dây dẫn khí sử dụng dây hơi ∅16
Lắp ráp và thử nghiệm
4.1 Lắp ráp hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn
Hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn bao gồm các thành phần chính như chai khí, đồng hồ khí argon, dây cao su, máy hàn, cụm chi tiết trong đầu hàn và bộ xả khí vào ống.
4.1.1 Lắp ráp cụm chi tiết trong đầu hàn
+ Lắp chi tiết dẫn điện vào rãnh
+ Lắp chi tiết ma sát dẫn điện qua bánh răng C
+ Lắp ống dẫn khí vào vũng hàn
+ Lắp chi tiết nối dây khí vào đầu hàn
+ Lắp chi tiết đầu nối dây khí
- Quá trình lắp được mô tả qua hình 25
Hình 26: mô tả lắp cụm chi tiết bảo vệ vũng hàn trong đầu hàn
4.1.2 Lắp bộ xả khí vào ống
- Quy trình lắp ráp bộ xả khí vào ống:
Hình 27: sơ đồ lắp đặt bộ xả khí vào ống
+ Nối dây hơi vào van điều áp
+ Nối đầu còn lại vào van đồng
+ Lắp van đồng vào cục bịt đầu ống có taro ren
+ Lắp 2 cục bịt đầu ống vào 2 ống
Hình 28: bịt đầu ống có lỗ ren Ống inox Chai khí
4.1.3 Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn trong quá trình hàn orbital
- Lắp van điều áp vào chai khí
- Nối dây vào van điều áp
- Chia ống khí làm 2 nhánh
Sử dụng tê đồng đuôi chuột hình chữ T để chia ống làm 2 nhánh và sử dụng cổ dể để siết chặt giảm thiểu sự rò rỉ khí
Hình 31: chia ống dẫn khi làm 2 nhánh
- Nối dây khí vào máy hàn
Hình 31: nối ống khí vào máy hàn
- Nối dây từ máy hàn lên đầu hàn
Hình 33: nối dây khí từ máy hàn lên đầu hàn
- Nhánh 2: nối dây khí vào bộ xả khí vào ống
Hình 34: nối dây vào bộ xả khí vào ống
- Sơ đồ lắp đặt hoàn chỉnh của hệ thống:
Cụm chi tiết trong đầu hàn
Bộ xả khí vào ống
Van điều áp Đầu hàn orbital
Hình 35: sơ đồ lắp đặt hệ thống hoàn chỉnh
4.2 Thử nghiệm Đầu hàn orbital là thiết bị bao gồm nhiều cụm chi tiết sau khi lắp ráp lại với nhau bắt đầu tiến hành hàn thử nghiệm Kết quả cho ra là:
+ Mối hàn không có khí bảo vệ hoặc khí bảo vệ không đủ sẽ bị đen không đạt tiêu chuẩn ngay cả khi nhìn bằng mắt thường
Mối hàn có khí bảo vệ trắng cần đạt tiêu chuẩn khi được kiểm tra bằng mắt Để đảm bảo chất lượng, có thể áp dụng một số phương pháp kiểm tra mối hàn theo tiêu chuẩn y sinh.
Hình 36: hình ảnh mối hàn khi khí bảo vệ quá ít
Hình 37: hình ảnh mối hàn khi sử dụng hệ thống cấp khí bảo vệ
Kết luận và kiến nghị
Sau nhiều thuận lợi và khó khăn, nhóm đã hoàn thành xuất sắc đề tài nghiên cứu khoa học "Thiết kế chế tạo hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn trong quá trình hàn của thiết bị hàn orbital" Chúng tôi đã đạt được tất cả các yêu cầu và mục tiêu đã đề ra trong dự án này.
Bộ thiết bị hàn orbital hoạt động theo nguyên lý hàn tự động, mang lại hiệu quả cao và độ chính xác tuyệt đối Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp yêu cầu tiêu chuẩn chất lượng cao, đặc biệt là trong ngành thực phẩm, nơi mà an toàn và vệ sinh là ưu tiên hàng đầu Tầm quan trọng của hàn orbital không chỉ nằm ở khả năng tạo ra mối hàn chắc chắn mà còn ở việc giảm thiểu rủi ro ô nhiễm, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đáp ứng được các quy định nghiêm ngặt.
Thiết kế và mô phỏng trên phần mềm INVENTOR
Vận hành hàn thử nghiệm bộ thiết bị hàn orbital
Các thành viên trong nhóm đã phát triển kỹ năng tinh thần, thái độ và phương thức làm việc nhóm, đồng thời thể hiện sự nghiêm túc và sáng tạo trong công việc Những yếu tố này sẽ là nền tảng vững chắc cho sự phát triển của nhóm trong tương lai.
Mô hình được gia công và lắp ráp dựa trên cơ sở mô phỏng
Tiến hành hàn thực tế ra sản phẩm mối hàn
Giúp hàn được ở những vị trí khó mà con người không hàn được hoặc là trong những điều kiện làm việc khó khăn
Hình 38: hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn sau khi hoàn thành
5.2 Kiến nghị Để tiếp tục phát triển đề tài này nhằm nâng cao tính hoàn thiện của đề tài, hoàn thiện hơn thì đề tài nên được phát triển theo các hướng như sau:
- Thiết kế mô hình gọn và tối ưu hơn
- Thiết kế cải tiến hệ thống xả khí có thể quay theo điện cực hàn
- Nâng cấp bộ xả khí vào ống
- Công nghệ chế tạo máy - GS TS Trần Văn Địch
- Vẽ kỹ thuật cơ khí – Trần Văn Quế
- Cơ sở công nghệ chế tạo máy – Phan Minh Thanh – Hồ Viết Bình
- Giáo trình công nghệ hàn – Nguyễn Trúc Hà – Bùi Văn Hạnh – Võ Văn Phong.
